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EDA365元器件代购服务公告
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[Ansys仿真] Q3D仿真验证L、G分布参数差距巨大

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发表于 2015-11-11 16:57 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本帖最后由 tanghao113 于 2015-11-11 17:14 编辑 4 w9 L) j  O7 C: d9 x9 g$ t, \% B
+ B7 A: {/ A5 l
近日开始使用Q3D软件。为了验证自己是否操作正确,故特意仿了一段微带线,但是发现其单位电导,单位电感有点差距。
( {3 l" |& \" ^7 ?- U% ?- G' j
% m) q& U& b9 S叠层设置如下* b( m0 X& Y1 q4 o
QQ截图20151111171612.png ! a9 R% K( [3 V# J, o0 @; w  Q8 ?
' C: h7 [1 U& O: F7 s9 q
1、SI9000算得在100MHz情况下计算RLGC模型的各参数:
' V" U6 ~  \6 x2 [7 M QQ截图20151111165006.png , ]; ]* t5 v5 [! s6 t9 _4 I

# X) T6 A8 J7 v即SI9000计算的值如下(每inch):
6 L0 d. w5 C" PR= 0.363Ω   L=7.94nH  G=3.46*10^-5  C=3.03pF
2 ?+ U4 f; _, n: K4 X1 g4 }2 [; O+ ^, T. Z- j( s* B; Z( {
# {& s; v* ?8 w7 L/ x1 C3 A; Q5 r9 C
2、Q3D依据同样的叠层建模,走线长度为100mil,在走线的两端分别添加Source和Sink,参考平面设置为地网络
8 M1 c7 z3 r  Q4 d QQ截图20151111165406.png QQ截图20151111165459.png $ _( E  ~+ F5 b2 F5 Z7 |) F

' s$ A" W' Y& Y  h4 W: p求解设置(比较高的精度要求):
- d7 Z7 ~! f* D  j3 e QQ截图20151111165548.png 收敛:7 k  y6 q+ t. |0 z8 ~# \
QQ截图20151111171339.png % r6 {4 V- H0 T7 h% _1 x

/ }6 U$ ~: W8 X; s5 f6 i5 l/ H! l求解的RLGC值:
) T* E) P7 D" O2 _ QQ截图20151111165804.png QQ截图20151111165819.png 2 g2 ~: v* W. \0 y: L2 M
即Q3D计算的值如下(按每inch换算):0 N& ?8 a7 N4 X6 Z$ l2 T
R= 0.30384Ω   L=15.222nH  G=0.032678  C=3.1485pF
5 t: q4 T% l" V  g4 U7 s
$ M/ M% b) Y7 A/ R! D6 K把SI9000计算的值再次罗列如下(每inch):, B4 k& r7 P) U- R8 S* e# C  r
R= 0.363Ω   L=7.94nH  G=3.46*10^-5  C=3.03pF
& s2 y' u: c0 V+ P9 L
- \, D2 M3 L+ W  G* J  M) O可以看到L和G差距非常大,想问一下具体是什么原因导致了这么大的差距?是Q3D软件的使用方法问题么?Q3D的模型如附件,软件版本为2014。 Project7.zip (22.29 KB, 下载次数: 16)

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发表于 2015-11-13 13:36 | 显示全部楼层
tanghao113 发表于 2015-11-12 17:36( y# |% j8 w. a3 M0 d+ Z
之所以验证传输线是因为这是手头上能够对比的最好模型,以便验证自己对Q3D软件的使用理解是否正确。- a3 J: L/ G( A1 N7 i- C! e+ o
! p5 K- n: W% v8 E
...

' V* u( G- X8 z$ h- V7 j; s( h- X6 U选择同向的原因是因为Q3D是电流源激励。
# H/ Y5 g7 p4 D; G) H8 c: d对于交流:
8 u$ r: J: s$ x% b+ O+ N: A; C7 ]而测试点在source端,你如果加反向source,那么获得的互感就不是微带线正馈和负馈构成的端口上的互感了。
, ^1 O& d+ W4 G  r  O% D8 K正确的算self inductance的方式应该是地平面加infinite GND boundary,因为真的参考面只有与正馈相邻的面,参考层的地厚度对微带线几乎无影响。2 y- q2 P: E  r! S, j7 l8 H! T, b
你如果一定要用singal的方式,那么就要以同样的馈电位置形成端口,然后reduce return或者reduce ground去除到地的互感影响,否则就不是正确微带线的模型。- p8 y) Z) _' r/ c) E$ f% B
& E+ `9 Q; ?' A! @
L matrix是有self和mutual部分的
. a# U# z0 `* ]! O1 K环路中的loop inductance和self inductance只有在构成信号环路且返回路径为电边界的情况下才相等,因为此时的mutual为0,self就是loop。若不是电边界,视作信号线的话,那么其就存在mutual,self就是parital。partial inductance是存在于两个导体构成的AC环路中的其中一个导体的本身电感。
; U% h$ A' R& z/ C. ]你原始工程文件的GND NET方式是没有GND测试点的,所以测出来的就是signal的loop inductance,只不过其AC环路没有包括地而是到无穷远处的电边界,而GND NET只是其中一个静态线,但是其算出来的self inductance是不是等于和地构成的环路的partial inductance,答案是否,你可以删掉GND的copper,你会发现结果和有这个inductance会略增大,但是差异不大,很显然就是去掉了signal到GND net部分的mutual inductance影响。所以你算出来的这个self inductance值,到底是个什么东西,取决于你的激励和边界是不是和真实的信号传输线结构相同。
! g% W- \- w- Q, ?  D( b$ y8 f) L! l  e! M5 ]. ?- h
1 t) R' o" [6 _; L
( W% W2 D, G- A

点评

[ self就是parital。partial inductance是存在于两个导体构成的AC环路中的其中一个导体的本身电感 ] 你確定 self 就是 partial 嗎? Q3D 可以解任何一段導體 (包含人們認知的 signal net 或 ground net ) 的局  详情 回复 发表于 2015-11-13 23:27
谢谢版主,我先细细消化一下。  详情 回复 发表于 2015-11-13 16:30
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发表于 2015-11-12 10:09 | 显示全部楼层
这就涉及到一个partial inductance 和 total inductance的概念了。# j9 \+ v; H/ q2 n2 a4 V8 ^& f/ [1 K
可以肯定的告诉你Q3D和SI9000的结果是一致的,差距估计也就在5%左右。2 D5 k/ Z2 J$ ]
至于G,mS和S的单位差你难道没发现么?1 u% x4 s( j6 R6 x7 s5 C  C
! a' {. M4 @- f& n- {+ t

点评

多谢版主!还是版主强大。 G是我看错单位了,一急就犯晕了。。。见笑了。 按您这么说Q3D软件算出来的都是局部自感,要自己去通过公式换算成回路电感? Lloop = Lself-signal + Lself-return - 2*Lmutual  详情 回复 发表于 2015-11-12 15:02
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发表于 2015-11-12 16:03 | 显示全部楼层
<< 而Q3D里算的是source到sink构成的环路的inductance >> , 此言差矣,單 source到sink 為局部電感,Reduce Return Path 才成 loop inductance.! E3 A8 I/ ?  ]

5 I1 ~' Q5 M3 S5 ?0 z均勻傳輸線特性阻抗要與 Polar 比較,請用 Q3D 的 "2D Extractor " 求解。

点评

之所以验证传输线是因为这是手头上能够对比的最好模型,以便验证自己对Q3D软件的使用理解是否正确。 果然是的,用Reduce Return Path后与SI9000比较符合。且Reduce Matrix可按Original Martrix通过以下公式计算得  详情 回复 发表于 2015-11-12 17:36
事实上,楼主的模型本就没选GND作为signal,而是直接用的ground net。 算出来的matrix本就是包含了signal self+GND,没有signal net给你reduce。 那么我所说的source到sink的环路是loop inductance是不是成立呢?:  详情 回复 发表于 2015-11-12 17:10

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 楼主| 发表于 2015-11-12 15:02 | 显示全部楼层
cousins 发表于 2015-11-12 10:09
/ r$ @1 ~+ \$ u" K& J这就涉及到一个partial inductance 和 total inductance的概念了。
) w3 j' j9 h( T; |) l" S可以肯定的告诉你Q3D和SI9000的结果是 ...
8 ?3 P- {4 a5 ]  \% @2 e
多谢版主!还是版主强大。G是我看错单位了,一急就犯晕了。。。见笑了。! E* M7 V; N8 b8 [4 r
2 Y0 `% Y4 O8 n% ~1 h
按您这么说Q3D软件算出来的都是局部自感,要自己去通过公式换算成回路电感?
  D+ Z/ u  i; H$ ]7 J* ILloop = Lself-signal + Lself-return - 2*Lmutual; H- B7 _# g4 ]" K
1 B/ d* I0 ^1 S- s
上文我把参考平面Assign成Ground网络了,这样Matrix结果里面就没有两导体的互感。其实我把参考平面Assign成Ground网络就是想让信号线参考它呀,不然这个Ground网络的意义为何?
, `& x" g! R, u! P0 s0 R6 n& k1 }+ [; b$ y# C  e: ~- v; j
那我想算Lloop具体应该怎么做呢?地平面也要设置成Signal网络,再加Sink和Source得到互感后手工计算?* _9 M* v2 `" L" L. @4 F' _' ]  @

; _# `1 I2 w0 r9 ]9 ^2 V7 Q还有对Reduce Matrix里面也有Ground Net和Return Path,对其用法不是很了解。版主能否详细介绍下呢?非常感谢?
; W4 A# [2 [; M  p6 c

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事实上,Q3D算的就是loop inductance。 SI9000算的才是self inductance。 RLGC构成的电路L11,而Q3D里算的是source到sink构成的环路的inductance。  详情 回复 发表于 2015-11-12 15:36

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发表于 2015-11-12 15:36 | 显示全部楼层
tanghao113 发表于 2015-11-12 15:02# [/ E* ]. Q4 F0 |( K; b6 t4 p, O9 I+ `; D# _
多谢版主!还是版主强大。G是我看错单位了,一急就犯晕了。。。见笑了。
% F- i8 w$ E" J" E/ ~+ h# {
( _& M# x; f6 ?& ~按您这么说Q3D软件算出来的都 ...

7 @6 q0 D" e7 `事实上,Q3D算的就是loop inductance。
# A3 h' U& J: K5 V% a: h1 `  ^SI9000算的才是self inductance。
7 Y8 c: `( u- m  }RLGC构成的电路L11,而Q3D里算的是source到sink构成的环路的inductance。
/ ?3 s6 n+ B7 k$ y. z

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请教版主一个问题么?我在SIWAVE设置好PCB的相关叠层参数,导出到Q3D的时候PCB介质显示一整块的,不是我想要的结果,这种情况该怎么办呢?  详情 回复 发表于 2017-3-6 20:22
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发表于 2015-11-12 17:10 | 显示全部楼层
Head4psi 发表于 2015-11-12 16:03
* C' b4 E9 `: T2 @2 [0 s$ |" l6 G> , 此言差矣,單 source到sink 為局部電感,Reduce Return Path 才成 loop inductance.
& ?  [8 K5 d# Z, J- h$ O6 n" h' V* E
均勻傳輸線特性 ...

, k2 x2 O. W, t  I5 d1 D7 ]6 [' C事实上,楼主的模型本就没选GND作为signal,而是直接用的ground net。
3 t; s  ~& m3 \算出来的matrix本就是包含了signal self+GND,没有signal net给你reduce。4 D7 _9 b2 j# s( x1 g& }) j. }. _
那么我所说的source到sink的环路是loop inductance是不是成立呢?; w% J6 X, N5 {9 G) a
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 楼主| 发表于 2015-11-12 17:36 | 显示全部楼层
本帖最后由 tanghao113 于 2015-11-12 17:41 编辑
# X* F1 Z: Z  |8 `1 v0 F$ H
Head4psi 发表于 2015-11-12 16:032 ]6 {$ B" \. c6 {* a# R% z
> , 此言差矣,單 source到sink 為局部電感,Reduce Return Path 才成 loop inductance.  C' i/ |  s2 f$ F0 a# j  \3 H
/ L% p6 y7 z  Y) H# V# J& W
均勻傳輸線特性 ...

& t  E. Y- i! Z  I, J1 W之所以验证传输线是因为这是手头上能够对比的最好模型,以便验证自己对Q3D软件的使用理解是否正确。
9 U9 T! ?. k$ P! Z: q5 y. [( t; P' m' t2 t/ [4 h1 @+ c! X
果然是的,信号与参考平面都Assign为Signal Net,用Reduce Return Path后与SI9000比较符合。且Reduce Matrix可按Original Martrix通过以下公式计算得到Lloop = Lself-signal + Lself-return - 2*Lmutual
6 m( [- K6 L8 x  E" }& Q& B& }
- X" P6 A: M2 W- Y其中设置为:信号与参考平面都Assign为Signal Net,都设置好Source和Sink,不过要使得电流方向方向要设成同向,若设成反向则超出很多。经分析与Lmutual的±号有关,不知为何要设置同向电流,比较难以理解,按理回流应该反向才对。
: X4 G7 e, q  O, c: L6 S9 j2 ?& I7 |) a' [
同向时候(Original与Return Path矩阵):
2 @/ X2 t6 @0 {8 A  ? QQ截图20151112172425.png QQ截图20151112172216.png
( b* p% B+ _, f( Q即Q3D计算的值为(按每inch换算) L=7.2938nH% K: F5 Y% R$ p/ Q5 |
4 Y+ V3 O6 Q. q( p& `4 e5 ~, k
反向(Original与Return Path矩阵):8 i& V: a/ _; O: N1 A! ~; u
2.png 3.png 0 e9 e1 ^) a4 e1 T- e% l& {9 i
即Q3D计算的值为(按每inch换算) L=48.918nH+ q9 B' U0 b0 {, R4 `2 X

( F$ d0 H* d- W: u, t
+ _7 R- \% t9 t% {) g
- U1 F% T: U, t. }& b. `$ l  H4 ]/ o3 ]
0 A7 A# q. X' w/ Z2 Y9 T

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选择同向的原因是因为Q3D是电流源激励。 对于交流: 而测试点在source端,你如果加反向source,那么获得的互感就不是微带线正馈和负馈构成的端口上的互感了。 正确的算self inductance的方式应该是地平面加infini  详情 回复 发表于 2015-11-13 13:36

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 楼主| 发表于 2015-11-13 16:30 | 显示全部楼层
cousins 发表于 2015-11-13 13:36
9 W2 K  V  O1 b+ G选择同向的原因是因为Q3D是电流源激励。
% I( V6 i  U6 _对于交流:, q. s9 R# _4 M8 r. I1 F
而测试点在source端,你如果加反向source,那么获 ...
1 B: c+ J7 C( K+ P0 ^
谢谢版主,我先细细消化一下。
2 y" Z* e3 y) p4 Q" h' I

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发表于 2015-11-13 23:27 | 显示全部楼层
本帖最后由 Head4psi 于 2015-11-15 20:39 编辑
6 k3 H9 I9 ]! V: B' n5 j4 `
cousins 发表于 2015-11-13 13:36
( l& E/ P: D4 R1 r5 S$ e选择同向的原因是因为Q3D是电流源激励。
) F+ m* E- L9 c% C! q对于交流:
( n% ?6 c& C- Y/ X% x2 x! o2 @: f而测试点在source端,你如果加反向source,那么获 ...

; V2 t7 _( [) i9 @. u, Z' i" j# Q8 t0 B2 h8 g6 E
! c) K" j1 R0 J2 I  q5 O
8 ?5 Y% \1 Y2 p( F* h9 j

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我都讲了self为partial有前提条件了,你不要不管我前面所陈述的条件,我说的是存在两个导体构成一个环路,有互感的前提下,自感为partial。 而且,你这样讲就和你之前所说Q3D算的是partial矛盾了,楼主最开始的模  详情 回复 发表于 2015-11-14 07:52

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发表于 2015-11-13 23:29 | 显示全部楼层
Q3D_Extra_PartialL.png
8 f  q2 G& n$ w2 f, p! ?6 G+ c Partial_LoopL.png

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[attachimg]105481[/attachimg] 有关多根走线共用返回路径的环路电感的计算,我的理解如下(电流流向如上图所示): 环路1的环路电感为:(L11 + L12 + L13 - L1-return) + (Lreturn - L1-return - L2-r  详情 回复 发表于 2015-12-2 14:12

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发表于 2015-11-14 07:52 | 显示全部楼层
本帖最后由 cousins 于 2015-11-14 08:09 编辑
0 y/ j8 |( I' k0 ^$ y, A
Head4psi 发表于 2015-11-13 23:27
& z. D) f# ?) m[ self就是parital。partial inductance是存在于两个导体构成的AC环路中的其中一个导体的本身电感 ] + k/ p" H" G( J* l7 I# o) [
...
* I- e  X: j! g( U" x2 K! b
我都讲了self为partial有前提条件了,你不要不管我前面所陈述的条件,我说的是存在两个导体构成一个环路,有对静态地互感的前提下,自感为partial。
6 m' p& j* ^! C( g/ W而且,你这样讲就和你之前所说Q3D算的是partial矛盾了,楼主最开始的模型算的L11难道不是自感?你又不是很肯定的说是partial?; e+ i! n% l; `. O/ V5 ]

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看晕了,这个reduce martix太烦人了,自己看得头都大了  详情 回复 发表于 2015-11-16 16:51
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 楼主| 发表于 2015-11-16 16:51 | 显示全部楼层
cousins 发表于 2015-11-14 07:52
5 J' o, ]% ^  L, ^1 T) j, `# U我都讲了self为partial有前提条件了,你不要不管我前面所陈述的条件,我说的是存在两个导体构成一个环 ...
, ?( X. }' r$ i; N' U
看晕了,这个reduce martix太烦人了,自己看得头都大了; u$ C* V4 W; L

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 楼主| 发表于 2015-11-18 11:45 | 显示全部楼层
光是这个电感就够我回去在研究一遍电磁场了,先传个附件,学习学习

Archambeault3.pdf

580.95 KB, 下载次数: 23, 下载积分: 威望 -5

PP_PartialInductance.pdf

273.01 KB, 下载次数: 35, 下载积分: 威望 -5

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学习了,好东西收藏下  详情 回复 发表于 2018-7-31 17:01

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 楼主| 发表于 2015-11-19 17:44 | 显示全部楼层
       最近这几天有好好学习了一下Q3D的官方教程。了解到Q3D软件解出来的都是Partial inductance(局部电感),而Q2D或SI9000这些2D场解工具算出来的都是Loop inductance(回路电感)。如下图所示:
QQ截图20151119152302.png

$ |' z- x2 [, h2 N( y+ {% z7 ^       其中Patial inductance又含Partial self-inductance(局部自电感)和Partial mutual inductance(局部互电感),有关这两个概念可参见Eric Bogatin大师的书,上面写得很清楚。
7 P# p( U" L% J* U5 {' m- ~- z$ R       为了实测(其实实测的就是Loop inductance,因为必须要形成环路才会有电流流过)能与Q3D的仿真数值能联系起来,必须使用Martix Reduction来获得Loop inductance。如下图所示。
- K. q3 i, n1 i3 @) L0 M: I0 j0 M% t( m

" ~, g, s+ o; x
QQ截图20151119153212.png
& S$ g: @+ c* x* |  l

1 H' y5 R7 Z0 R/ G" H9 \' w

" |6 R" {  ?/ C9 g6 y       Q3D可以求解出Patial inductance(局部电感)LS1,LR1,LS1-R1,为了得到Loop inductance(回路电感),用Martix Reduction中的Return Path来求得。$ E+ u9 |6 V- d" z: n  n' O6 _
QQ截图20151119153514.png

* B" C" @. |2 _& C
6 |) x: l  Y0 x+ d$ B7 t! C4 j) W+ v9 @: a4 N: r8 m
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